 |
Магниторезистивные датчики перемещения
|
|
|
|
В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля. Датчик, как правило, состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включённые по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения (Рисунок 9). Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.
Рисунок 9. Магниторезистивный датчики перемещения
Магнитострикционные датчики перемещения
Как правило, магнитострикционный датчик представляет собой протяжённый канал - волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины (рис. 10). Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Вайдемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.
|
|
|
Рисунок 10. Магнитострикционный датчик перемещения
Реостатные (потенциометрические) датчики
В реостатных датчиках под влиянием перемещения, вызванного воздействием измеряемой неэлектрической величины, происходит изменение электрического сопротивления. Конструктивно они выполняются в виде реостата (каркас с проволочной обмоткой), подвижный контакт которого совершает угловое или линейное перемещение. В результате изменяются значения сопротивлений между подвижным контактом и выводами обмотки, измеряемые, как правило, с помощью мостовых схем.
Рисунок 11. Потенциометрический датчик перемещения
Статическая характеристика преобразования реостатных преобразователей имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками, равными сопротивлению одного витка. Это вызывает появление погрешности измерения, вызванной дискретностью изменения сопротивления. Если применить реохордный преобразователь, в котором подвижный контакт скользит вдоль оси проволоки, то указанной погрешности не будет.
Основным недостатком реостатных преобразователей являются наличие скользящего контакта и сравнительно большие усилия для его перемещения. Однако простота конструкции и возможность получения больших выходных сигналов делают их весьма удобными при измерении относительно больших угловых или линейных перемещений, а также других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (давления, усилия и т. п.).
Измерение температуры
При построении первичных измерительных преобразователей (датчиков) температуры используются разнообразные физические эффекты. В основном применяются следующие типы датчиков:
|
|
|
- металлические термопреобразователи сопротивления (ТС);
- термоэлектрические преобразователи (термопары);
- полупроводниковые термопреобразователи сопротивления (термисторы);
- полупроводниковые датчики;
- пьезоэлектрические (кварцевые) преобразователи с частотным выходным сигналом.
Характеристики преобразования перечисленных типов датчиков качественно иллюстрирует рис. 2.1.
Рис. 2.1. Характеристики датчиков температуры:
а – термопреобразователь сопротивления; 6 – термопара; в – термистор;
г – полупроводниковый датчик; д – кварцевый резонатор
Металлические ТС обеспечивают высокую точность, хорошие линейность, стабильность и повторяемость характеристик. Основные недостатки: значительное влияние на результат измерения сопротивления проводов линии связи, необходимость дополнительного источника питания (напряжения или тока).
Термопары не требуют вспомогательного источника питания, имеют широкий диапазон измеряемых температур, отличаются точностью, стабильностью и повторяемостью характеристик. Термопарам присуща заметная нелинейность характеристики преобразования. Кроме того, при измерении необходимо учитывать или компенсировать влияние температуры свободных концов ТП. Вследствие малого выходного напряжения требуется применение чувствительных вторичных преобразователей и принятие мер по обеспечению помехозащищенности.
Термисторы (полупроводниковые резисторы) имеют высокую чувствительность и быстродействие. Но при этом у них есть серьезные недостатки: резко нелинейная характеристика преобразования, плохая повторяемость характеристики, сравнительно узкий диапазон измеряемых температур.
Полупроводниковые интегральные датчики характеризуются высокой линейностью характеристики преобразования, однако имеют ограниченный диапазон измеряемых температур (до 150...200 °С) и требуют наличия внешнего источника питания.
У датчиков на основе кварцевых резонаторов выходной величиной является изменение резонансной частоты колебаний при изменении температуры. Такие датчики обеспечивают наиболее высокую точность, правда, в узком диапазоне температур. Кроме того, часто основные параметры характеристики преобразования таких датчиков и их температурные коэффициенты не стандартизованы и подразумевают индивидуальную градуировку.
|
|
|
Все упомянутые датчики выпускаются в различном конструктивном исполнении: погружные, воздушные, для измерения температуры поверхности. Это позволяет производить контактные измерения температуры самых разнообразных объектов в диапазоне от – 200 до +2000 °С. Погрешность измерителей температуры зависит как от датчиков, так и от характеристик вторичных преобразователей и свойств линии связи датчик-вторичный блок. Типичные значения погрешностей таких термометров ±(0,2... 1) %, хотя в некоторых моделях достигаются значения погрешностей ±(0,01...0,1) %. Типичная чувствительность термометров – 0,1 °С.
Важным показателем термопреобразователей является показатель, характеризующий их быстродействие. У термопар это показатель тепловой инерции – время, необходимое для того, чтобы при внесении ТП в среду с постоянной температурой разность температур среды и любой точки ТП стала равной 0,37 того значения, которое будет в момент наступления регулярного теплового режима.
У термометров сопротивления используют время термической реакции – время, которое требуется для изменения показаний термопреобразователя сопротивления на определенный процент полного изменения при ступенчатом изменении температуры среды: 10 %, 50 %, 63,2 %, 90 %.
Инерционность термопреобразователей зависит от массы чувствительного элемента (проволоки ТС, рабочего спая термопары и т.п.) и теплового сопротивления между чувствительным элементом и контролируемой средой, в частности от вида защитной арматуры, в которую помещен чувствительный элемент (рис.).
Рассмотрим особенности перечисленных типов датчиков.
Рис. Внешний вид термометров сопротивления и термопар
|
|
|
